淺議空間譜估計(jì)測向技術(shù)實(shí)用化問題

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1、淺議空間譜估計(jì)測向技術(shù)的實(shí)用化問題 ????摘要：本文簡單介紹了空間譜估計(jì)測向技術(shù)的發(fā)展歷程和基本原理，詳細(xì)探討了其在實(shí)際應(yīng)用中遇到的技術(shù)難題，并給出一種實(shí)用性較強(qiáng)的短波空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。 ????關(guān)鍵詞：空間譜估計(jì)測向 MUSIC算法 短波測向 ????1?引言 ????空間譜估計(jì)測向技術(shù)是近三十年來發(fā)展起來的一門新興的測向處理技術(shù)，這種測向技術(shù)因?yàn)椴捎昧讼冗M(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理方法，具有傳統(tǒng)測向體制無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，成為國際無線電偵測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 ????1979年美國人R.O.Schmidt提出著名的MUSIC（Multiple Sig

2、nal Classification多信號(hào)分類）算法，標(biāo)志著空間譜估計(jì)測向進(jìn)入了繁榮發(fā)展的階段，經(jīng)過三十年的發(fā)展，可以說其理論已經(jīng)比較成熟，但是到目前為止見諸報(bào)道的在實(shí)用空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)并不多，這不能不說是一個(gè)遺憾。尤其是近年來，隨著無線電通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線電測向技術(shù)有了長足進(jìn)步，各生產(chǎn)廠家紛紛推出了各種新型無線電測向設(shè)備，但是從中很難見到空間譜估計(jì)測向設(shè)備的身影。 ????下表是目前見諸公開報(bào)道的國際上主流公司具有代表性的一些偵測產(chǎn)品，可見只有美國的DRS和以色列的Rafae兩家公司采用了空間譜估計(jì)測向技術(shù)。 ???? ????這一局面反映了該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還存在著許多問

3、題，當(dāng)前條件下如不解決這些問題，其實(shí)用效果會(huì)大大降低，其應(yīng)用前景也不會(huì)像理論所示那樣誘人。 ????本文首先從產(chǎn)品研制方面回顧國內(nèi)外空間譜估計(jì)測向技術(shù)走過的歷程，然后以MUSIC算法為代表簡單介紹空間譜測向技術(shù)原理，其次分析其在實(shí)際應(yīng)用中碰到的技術(shù)難題，最后給出一種實(shí)用性較強(qiáng)的短波空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)思路。希望能夠借助本文，給空間譜估計(jì)測向技術(shù)一個(gè)客觀的認(rèn)識(shí)。 ????2 國內(nèi)外空間譜估計(jì)測向產(chǎn)品研制歷程 ????國際上，最早的空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)是美國TRW公司在1986年推出的ESL實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它利用8元圓陣，工作頻段1.8GHz，陣列孔徑為13個(gè)波長，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理性驗(yàn)證了空間譜估

4、計(jì)測向的多信號(hào)測向、抗多徑干擾的能力。 ????1990年英國Plessey公司推出了SR-DF試驗(yàn)系統(tǒng)，陣列為5~8元均勻圓陣，工作頻段68~72MHz，利用CPU執(zhí)行信號(hào)處理運(yùn)算，單次測向時(shí)間為2s，測向均方根誤差為0.7°，多信號(hào)分辨能力為10°，約為三分之一陣列波束寬度，該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)一步驗(yàn)證了空間譜估計(jì)測向的超分辨能力。 ????1991年美國Unisys國防公司推出了船載短波測向系統(tǒng)，工作頻段3~30MHz，采用MUSIC算法，岸上測向均方根誤差為3°，裝船后的測向誤差為5°。 ????1994年美國Watkins-Johnson公司推出了WJ-9010短波測向設(shè)備，工作頻段為

5、1.5~30MHz，采用MUSIC算法，測向均方根誤差小于1°，并具有多信號(hào)測向能力。 ????最近據(jù)說德國R&S公司也推出了具有超分辨測向能力的產(chǎn)品，作為其DDF0xE、DDF0xA的選件，但沒有其應(yīng)用效果的報(bào)道。 ????在國內(nèi)，某大學(xué)在上世紀(jì)90年代完成了八陣元超短波測向?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，較為系統(tǒng)地進(jìn)行了算法研究、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、外場試驗(yàn)等工作。雖然實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的天線、接收機(jī)等硬件條件較差，但還是取得了令人鼓舞的實(shí)驗(yàn)效果。 ????值得一提的是2000年左右，某工廠研制的短波空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)，技術(shù)指標(biāo)高，實(shí)用效果好，是國內(nèi)第一套真正實(shí)用的空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)，在空間譜估計(jì)測向技術(shù)發(fā)展上邁出了堅(jiān)實(shí)的第

6、一步。 ????3 空間譜估計(jì)測向技術(shù)基本原理 ????空間譜估計(jì)測向與傳統(tǒng)測向方法，具有如下的突出優(yōu)點(diǎn)： ????（1） 多信號(hào)測向能力，既可以對(duì)不相關(guān)或部分相關(guān)的多個(gè)同頻來波信號(hào)進(jìn)行同時(shí)測向，也可以通過預(yù)處理對(duì)幾個(gè)相干信號(hào)同時(shí)測向（抗多徑測向能力）； ????（2） 測向分辨力高，突破了瑞利極限，能分辨出落入陣列同一波束內(nèi)的多個(gè)信號(hào)（超分辨測向能力）； ????（3） 測向精度高，采用陣列信號(hào)處理方法，可以充分利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具，獲得更高的測向精度； ????（4） 測向靈敏度高，在短數(shù)據(jù)低信噪比條件下亦能獲得良好測向性能。 ????空間譜估計(jì)測向是在經(jīng)典譜估計(jì)理論基礎(chǔ)上發(fā)展

7、起來的，是一種以多元天線陣結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為基礎(chǔ)的新型測向技術(shù)。空間譜估計(jì)測向并不是從各天線元所收到信號(hào)幅度或相位的簡明的數(shù)學(xué)公式上直接求出來波方向，相反，它充分利用了各陣元信號(hào)所含綜合信息，通過統(tǒng)計(jì)處理方法來估計(jì)信號(hào)到達(dá)方向。 ????空間譜估計(jì)測向是根據(jù)各陣元的輸出信號(hào)，來估計(jì)空間頻率，進(jìn)而求出來波方向等參數(shù)。實(shí)際上，各種譜估計(jì)方法都可以用于測向中，只要把搜索參數(shù)如頻率 變成空間頻率 就可以了。 ????MUSIC算法得到空間譜并不是功率譜，只是信號(hào)方向向量與噪聲子空間之間的“距離”。盡管如此，空間譜卻能夠在真實(shí)波達(dá)方向的附近出現(xiàn)“譜峰”，超分辨地準(zhǔn)確表達(dá)各信號(hào)的來波方向。

8、????MUSIC算法是一種基于矩陣特征空間分解的方法。從幾何角度講，信號(hào)處理的觀測空間可以分解為信號(hào)子空間和噪聲子空間，顯然這兩個(gè)空間是正交的。信號(hào)子空間由陣列接收到的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣中與信號(hào)對(duì)應(yīng)的特征向量組成，噪聲子空間則由協(xié)方差矩陣中所有最小特征值（噪聲方差）對(duì)應(yīng)的特征向量組成。MUSIC算法就是利用這兩個(gè)互補(bǔ)空間之間的正交特性來估計(jì)空間信號(hào)的方位。噪聲子空間的所有向量被用來構(gòu)造譜，所有空間方位譜中的峰值位置對(duì)應(yīng)信號(hào)的來波方位。MUSIC算法大大提高了測向分辨率，同時(shí)適應(yīng)于任意形狀的天線陣列，但是原型MUSIC算法要求來波信號(hào)是不相干的。 ????MUSIC算法是空間譜估計(jì)測向理論的重要

9、基石。算法原理如下： ????（1） 不管測向天線陣列性狀如何，也不管入射來波入射角的維數(shù)如何，假定陣列由M個(gè)陣元組成，則陣列輸出模型的矩陣形式都可以表示為： ????其中，是觀測到的陣列輸出數(shù)據(jù)復(fù)向量；是未知的空間信號(hào)復(fù)向量；是陣列輸出向量中的加性噪聲；是陣列的方向矩陣；此處， ????MUSIC算法的處理任務(wù)就是設(shè)法估計(jì)出入射到陣列的空間信號(hào)的個(gè)數(shù)D以及空間信號(hào)源的強(qiáng)度及其來波方向。 ????（2） 在實(shí)際處理中，得到的數(shù)據(jù)是有限時(shí)間段內(nèi)的有限次數(shù)的樣本（也稱快拍或快攝），在這段時(shí)間內(nèi)，假定來波方向不發(fā)生變化，且噪聲為與信號(hào)不相關(guān)的白噪聲，則定義陣列輸出信號(hào) 的二階矩： ????

10、（3） MUSIC算法的核心就是對(duì) 進(jìn)行特征值分解，利用特征向量構(gòu)建兩個(gè)正交的子空間，即信號(hào)子空間和噪聲子空間。對(duì) 進(jìn)行特征分解，即是使得下式成立： ????其中， 是矩陣 的第i個(gè)特征值， 是與該特征值對(duì)應(yīng)的特征向量。 ????（4） 是非負(fù)定的Hermitain矩陣，所以特征分解得到的特征值均為非負(fù)實(shí)數(shù)，有 D個(gè)大的特征值和M-D個(gè)小的特征值，大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量組成的空間為信號(hào)子空間，小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量組成的空間為噪聲子空間。 ????（5） 將噪聲特征向量作為列向量，組成噪聲特征矩陣 ，并張成M-D維的噪聲子空間range[ ]，后者與信號(hào)子空間正交。而 的列空間range

11、[ ]恰與信號(hào)子空間重合，所以 的列向量 與噪聲子空間是正交的，由此，構(gòu)造空間譜函數(shù)： ????（6） 在 域求取譜函數(shù)最大值，其譜峰對(duì)應(yīng)的 即是來波方向的估計(jì)值。 ????4 實(shí)際應(yīng)用中碰到的技術(shù)難題 ????從上述推導(dǎo)可見，空間譜估計(jì)測向是建立在嚴(yán)格的信號(hào)模型和復(fù)雜的估計(jì)理論上的一種測向體制。其實(shí)際應(yīng)用中碰到的難題主要是： ????（1） 對(duì)模型失真敏感； ????MUSIC算法陣列輸出模型中的 是陣列的方向矩陣，但實(shí)際過程中，陣列輸出的信號(hào)受天線、低噪聲放大器、射頻開關(guān)矩陣、接收機(jī)等綜合影響，而這些影響很難完全準(zhǔn)確在 中得到量化反映。實(shí)際影響和假設(shè)模型的不一致造成算法性能下降。

12、 ????研制實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，陣列天線間的互耦、天線元的位置誤差、多通道接收機(jī)幅度和相位的不一致等諸多原因，都會(huì)造成空間譜估計(jì)測向性能的下降甚至失效。 ????（2） 對(duì)噪聲擾動(dòng)敏感； ????首先在低信噪比、快拍數(shù)少時(shí)存在一個(gè)分辨門限，當(dāng)信噪比低于該門限時(shí)，超分辨測向的分辨性能就會(huì)急劇下降。 ????其次，信噪比低的情況下，上述推導(dǎo)中（4）中的大的特征值和小的特征值之間無明顯差異，造成信號(hào)源個(gè)數(shù)估計(jì)不準(zhǔn)，目前穩(wěn)健的信號(hào)源個(gè)數(shù)估計(jì)仍是一個(gè)難題。 ????另外，當(dāng)實(shí)際噪聲特性與所假設(shè)的噪聲特性不一致時(shí)，比如噪聲是有色的、非高斯的，也會(huì)對(duì)測向性能產(chǎn)生影響。 ????（3） 相干信號(hào)源測向問

13、題； ????本來對(duì)相干信號(hào)源的測向能力是空間譜估計(jì)測向的亮點(diǎn)，但是真正要發(fā)揮這一優(yōu)勢是有代價(jià)的，目前大部分解相干的預(yù)處理算法，在對(duì)相干源測向時(shí)會(huì)損失陣列孔徑，還會(huì)限制陣列天線布局和形式。 ????（4） 信號(hào)入射角度過于相近時(shí)，算法性能下降，即超分辨是有限的超分辨，實(shí)際中能達(dá)到1/3~1/2瑞利限就很理想了； ????（5） 運(yùn)算量大，在同樣的DSP或CPU條件下，測向時(shí)效性較其他體制差； ????（6） 對(duì)硬件要求高，設(shè)備組成復(fù)雜，限制了機(jī)動(dòng)和便攜測向中的應(yīng)用。 ????除了上述這些固有的問題之外，再來看看空間譜估計(jì)測向與現(xiàn)代無線電測向的發(fā)展方向之間的差距。 ????（1） 目

14、前偵測技術(shù)焦點(diǎn)是高速寬帶多信號(hào)偵測，空間譜估計(jì)測向所具有的同頻多信號(hào)測向能力對(duì)此無能為力，實(shí)際工程中多采用FFT多信道技術(shù)來解決高速寬帶多信號(hào)測向問題； ????（2） 偵測一體，很多情況下，不僅需要測向定位，更重要的是目標(biāo)的識(shí)別分選，而空間譜估計(jì)測向只是給出同頻來波的多個(gè)方向（俗話說“一堆方位”）。在多徑情況下沒有分出直射波方向和反射波方向，在非多徑的情況下不能給出夾雜在一起的各個(gè)來波信號(hào)各自對(duì)應(yīng)的方向； ????（3） 機(jī)動(dòng)和便攜偵察設(shè)備的應(yīng)用不斷發(fā)展，移動(dòng)和便攜偵測是固定偵測的有力補(bǔ)充，在某些環(huán)境下，甚至是唯一的手段，但是空間譜估計(jì)測向設(shè)備復(fù)雜，要做到機(jī)動(dòng)、便攜還有較長的路要走。

15、????5 一種實(shí)用的短波空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)思路 ????針對(duì)空間譜估計(jì)測向?qū)嶋H應(yīng)用中碰到的種種問題，本文提出一種解決問題、提高實(shí)用效果的思路，下面就以短波空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)為例做一簡單介紹。圖1是短波空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)的原理框圖。 ????圖1 短波空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)原理框圖 ????設(shè)備由8元測向天線陣、天線開關(guān)、8通道接收機(jī)、本振模塊、多路AD、DSP模塊、校準(zhǔn)信號(hào)源、控制和通信模塊組成。 ????針對(duì)空間譜估計(jì)測向的種種問題，上述結(jié)構(gòu)作了以下改進(jìn)： ????（1） 為了解決通道與算法模型的失配問題，在天線開關(guān)前加上了一個(gè)校準(zhǔn)信號(hào)源，采用類似信道均衡的思路，通過校準(zhǔn)信號(hào)測量

16、出接收通道的傳遞函數(shù)（除天線無法校正外，其他射頻部分都得到校正），用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)綜合出一個(gè)數(shù)字濾波器，均衡補(bǔ)償信道誤差，從而達(dá)到全通帶校正，保證了接收信道的幅相一致性。 ????（2） 8通道接收機(jī)工作在同頻相干模式下，8個(gè)通道共用一個(gè)本振源，保證了相干接收。 ????（3） 為了解決信號(hào)處理運(yùn)算量大的問題，采用高速DSP芯片執(zhí)行矩陣運(yùn)算和構(gòu)造空間譜、空間譜搜索等，提高測向時(shí)效性。 ????（4） DSP上除執(zhí)行空間譜估計(jì)測向外，還要執(zhí)行DBF（數(shù)字波束形成）算法，對(duì)來波信號(hào)進(jìn)行空域?yàn)V波，調(diào)整陣列響應(yīng)加強(qiáng)對(duì)感興趣信號(hào)的接收，達(dá)到提高信噪比抑制同道干擾的目的。 ????上述第(4)點(diǎn)

17、意義重大，空間譜估計(jì)測向給出了多個(gè)同頻來波的方向，但僅僅如此遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，為了進(jìn)一步分辨出不同信號(hào)的各自來波方向，需要對(duì)各個(gè)信號(hào)根據(jù)空間譜估計(jì)測向給出的方向分別進(jìn)行空域?yàn)V波，以確定其對(duì)應(yīng)的來波信號(hào)，達(dá)到分選的目的。在此過程中，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)感興趣信號(hào)的抗干擾接收，提高了其接收效果。 ????6 結(jié)論 ????當(dāng)前，測向技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展特點(diǎn)是：在短波大基礎(chǔ)測向中依然是Wullenveber體制風(fēng)光依舊，而在高速寬帶測向中則是相關(guān)干涉儀和Watson-Watt體制各有千秋，尤其是FFT多信道測向技術(shù)應(yīng)用最廣泛。 ????雖然空間譜估計(jì)測向技術(shù)擁有一些技術(shù)優(yōu)越性，但是要真正在實(shí)際工作中發(fā)揮出來，還需要在

18、多個(gè)方面下功夫。如何提高實(shí)用效果和發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，是空間譜估計(jì)測向技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)。對(duì)此，筆者認(rèn)為，空間譜估計(jì)測向技術(shù)要進(jìn)一步解決好以下幾個(gè)問題： ????（1） 如何將空間譜估計(jì)測向應(yīng)用到寬帶偵測中去，即發(fā)展寬帶多信號(hào)的空間譜估計(jì)測向技術(shù)，只有這樣才能適應(yīng)目前日益復(fù)雜的信號(hào)環(huán)境，這一條至關(guān)重要； ????（2） 空間譜估計(jì)測向必須結(jié)合DBF對(duì)多個(gè)來波進(jìn)行空域?yàn)V波，加強(qiáng)其信號(hào)識(shí)別及對(duì)感興趣信號(hào)的抗干擾接收能力。用戶需要的不是一堆示向度，真正需要的是到底各個(gè)信號(hào)是從哪個(gè)方向來的，有可能還關(guān)心信號(hào)的具體信息是什么，所以一套完整的空間譜估計(jì)測向系統(tǒng)必須具有DBF能力，才能充分發(fā)揮其效力； ????（3） 研究更穩(wěn)健的、普適性更高的信號(hào)個(gè)數(shù)估計(jì)算法； ????（4） 進(jìn)一步提高其對(duì)通道、天線失配的寬容性。